WO2017131432A1 - 배터리 모듈 및 그를 구비하는 에너지 저장장치 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a battery module and an energy storage device having the same, and more particularly, to uniformly manage the temperature of the battery cells in a compact and efficient manner, thereby extending the life of the battery cells and their energy
- the present invention relates to a battery module capable of maximizing efficiency and an energy storage device having the same.
- battery modules are widely applied to mobile phones, laptops, and electronic devices. Recently manufactured and released battery modules are made in a module form by combining a plurality of battery cells (battery cells).
- Such a battery module is also used as a power source for automobiles in addition to electronic devices.
- a vehicle equipped with a battery module is called an electric vehicle.
- a battery module that can be applied to an electric vehicle is very large, unlike the charging for a mobile phone, and also has a large number of built-in battery cells, it is difficult to apply when the life of the battery cells is short or its energy efficiency is weak.
- the temperature of a plurality of battery cells must be uniformly managed through heating and cooling methods.
- the temperature of the battery cells is managed uniformly, not only can it extend the life of the battery cells, but also ensure that all battery cells are fully charged and fully utilize the energy stored in the battery cells.
- the power density can be improved. Therefore, when applied to an electric vehicle, the mileage of the electric vehicle may be extended. In particular, when the external temperature is low, heating the battery cells also has the advantage of fast charging and fast operation.
- the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a battery module capable of uniformly managing the temperature of the battery cells in a compact and efficient manner, thereby extending the life of the battery cells and maximizing the energy efficiency thereof. It is to provide an energy storage device.
- the temperature of the battery cells can be managed uniformly in a compact and efficient manner, thereby extending the life of the battery cells and maximizing their energy efficiency.
- FIG. 1 is a system configuration diagram of an energy storage device according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a perspective view of a battery module.
- FIG. 3 is an enlarged view of region A of FIG. 2.
- FIG. 4 is a view illustrating a state in which the cooling water supply unit and the cooling water discharge unit are removed from FIG. 2.
- FIG. 5 is an enlarged view of region B of FIG. 4.
- FIG. 6 is an exploded perspective view of the battery module.
- FIG. 7 is a rear perspective view of FIG. 6.
- FIG. 8 is a perspective view of the cell unit.
- FIG. 9 is an enlarged top view of FIG. 8.
- FIG. 10 is an enlarged view of the first and second heat pipe regions in FIG. 8.
- FIG. 10 is an enlarged view of the first and second heat pipe regions in FIG. 8.
- FIG. 11 is an enlarged view illustrating main parts of FIG. 10.
- FIG. 12 is an exploded perspective view of FIG. 11.
- FIG. 13 is a rear perspective view of FIG. 12.
- FIG. 14 is a control block diagram of an energy storage device according to an embodiment of the present invention.
- 15 and 16 are electrical and thermal connection structure diagrams of a battery cell, respectively.
- 17 is an electrical circuit diagram of a battery cell.
- a heat pipe for cooling or heating the battery cells for temperature management of a plurality of battery cells (battery cells) are arranged in a horizontal or vertical direction and electrically connected Cell unit; And a cooling unit coupled to the cooling block, the cooling unit cooling the battery cell for temperature management of the battery cell, and including a cooling unit disposed at one side of the cell unit.
- a cooling unit coupled to the cooling block, the cooling unit cooling the battery cell for temperature management of the battery cell, and including a cooling unit disposed at one side of the cell unit.
- the cell unit includes an insertion hole coupled to each other while being inserted into a pair of adjacent first and second heat pipes, and the plurality of cell units are disposed to be spaced apart from each other along a longitudinal direction of the first and second heat pipes.
- a plurality of first and second battery holders supporting the cells An anode connector, one side of which is connected to the first heat pipe at an upper portion of the first battery holder and the other side thereof is coupled to an upper portion of the second battery holder, which is electrically and thermally directly connected to a cathode of the battery cell. connector);
- the wall surface where the first battery holder and the second battery holder are in contact with each other, and the wall surface where the second battery holder and the third battery holder are in contact with each other, may be provided with protrusions and protrusions that are detachably assembled to each other.
- the anode connector may include a pipe coupling part coupled to the first heat pipe; A plurality of anode direct downward protrusions coupled to an upper portion of the second battery holder and exposed downward through a through hole formed in the second battery holder to be electrically and thermally directly connected to an anode of the battery cell.
- Cell anode coupling plate having; And a bent connector connecting the pipe coupling part and the cell anode coupling plate.
- An anode side rib hole into which the protruding rib of the second battery holder is fitted may be formed in the cell anode coupling plate, and an anode side arc protrusion may be formed in a radially outer side of the anode side rib hole.
- the cathode connector may include a cell cathode coupling plate coupled to a lower portion of the third battery holder; A plurality of cathode direct connection upward protrusions formed on the cell cathode coupling plate and exposed upward through through holes formed in the third battery holder to be electrically and thermally directly connected to the cathodes of the battery cells; A cathode side rib hole formed in the cell cathode coupling plate, into which the protruding rib of the third battery holder is fitted; And a cathode side arc protrusion formed at a radially outer side of the cathode side rib hole.
- the heat pipe may form a center line between the battery cells, and the side surface of the battery cell and the heat pipe may be electrically connected directly with heat.
- One end of the heat pipe may be provided with an insulation for electrical insulation with the cooling unit.
- a control printed circuit board connected to the cell unit on the opposite side of the heat transfer connector with the cell unit therebetween for sensing and controlling the temperature, current and voltage of the battery cell; And an electric bottom cover that protects the control printed circuit board and includes an anode terminal and a cathode terminal.
- the cooling unit may be a liquid cooling unit in which cooling is performed by circulation of the liquid.
- the liquid cooling unit includes a housing in which cooling water flows; An impeller accommodated and rotated in the housing; Modular pumps; A coolant supply unit supplying coolant based on the operation of the module pump; And a cooling water discharge part through which the cooling water is discharged.
- the battery pack formed by a plurality of battery modules; A blower fan disposed at one side of the battery pack and configured to blow air to the battery pack; A radiator provided at one side of the battery pack; A heater provided in a heating line for individually connecting the radiator and the battery module; And a device controller for controlling the operation of the blower fan and the heater, wherein the battery module is arranged in a horizontal or vertical direction to electrically control the plurality of battery cells.
- a cell unit having a heat pipe for heating the cell; And a cooling unit coupled to the cooling block and having a cooling unit cooling the battery cell for temperature management of the battery cell, wherein the cooling unit is disposed at one side of the cell unit.
- the cell unit includes an insertion hole coupled to each other while being inserted into a pair of adjacent first and second heat pipes, and the plurality of cell units are disposed to be spaced apart from each other along a longitudinal direction of the first and second heat pipes.
- the device controller may control to adjust the temperature of the battery cell based on the rotation amount of the module pump provided in the battery module.
- the apparatus may further include a battery pack temperature detector configured to detect a temperature of the battery pack, and the device controller may control an air supply air volume of the blower fan based on information from the battery pack temperature detector.
- auxiliary cooling line for connecting the radiator and the battery module separately, the auxiliary cooling line and the battery module may be provided with a three-way valve, the cooling water via the battery modules on the heating line
- the receiver tank is stored, and the pump for sending the cooling water in the receiver tank to the heater may be further provided.
- FIG. 1 is a system configuration diagram of an energy storage device according to an embodiment of the present invention
- FIG. 2 is a perspective view of a battery module
- FIG. 3 is an enlarged view of region A of FIG. 2
- FIG. 4 is a coolant supply unit in FIG. 2.
- 5 is an enlarged view of a region B of FIG. 4
- FIG. 6 is an exploded perspective view of the battery module
- FIG. 7 is a rear perspective view of FIG. 6
- FIG. 8 is a perspective view of the cell unit.
- 9 is an enlarged view of the upper portion of FIG. 8
- FIG. 10 is an enlarged view of the first and second heat pipe regions in FIG. 8
- FIG. 11 is an enlarged view of the main portion of FIG. 10
- FIG. 12 is an exploded view of FIG. 11.
- FIG. 13 is a rear perspective view of FIG. 12
- FIG. 14 is a control block diagram of an energy storage device according to an embodiment of the present invention
- FIGS. 15 and 16 are structural diagrams of electrical and thermal connection of battery cells, respectively.
- 17 is an electrical circuit diagram of a battery cell.
- the energy storage device can uniformly manage the temperature of the battery cells (110, battery cell 110) in a compact and efficient manner, and thus the battery cells 110
- the battery pack 200 is disposed on one side of the battery pack 200 and the battery pack 200 is cooled to cool the battery pack 200.
- Blower fan 210 for blowing air to the 200, the radiator 220 provided on one side of the battery pack 200, the heating line 230 for separately connecting the radiator 220 and the battery module 100
- the heater 240 and the blower fan 210 and the device controller 260 for controlling the operation of the heater 240 may be included in the.
- the energy storage device according to the present embodiment shown in FIG. 1 may be used as a power source of an electric vehicle, for example. That is, instead of gasoline or diesel, the energy storage device shown in FIG. 1 may be a power source of the electric vehicle.
- the energy storage device according to the present embodiment is not necessarily applied only to an electric vehicle. That is, the energy storage device according to the present embodiment may be applied as a power source to various devices and systems throughout the industry in addition to electronic devices.
- the battery cells 110 applied to the energy storage device according to the present embodiment can be uniformly managed in temperature.
- the lifespan of the battery cells 110 may be extended, and the energy efficiency of the battery cells 110 may be maximized.
- the battery cells 110 can be heated as a power source for a variety of devices and systems throughout the industry because fast charging and fast operation is possible. Cooling and heating of the battery cells 110 may be performed by heat pipes 121 and 122 electrically and thermally connected to the battery cells 110.
- a battery pack 200 is an assembly product assembled by a plurality of battery modules 100.
- the user installs the battery pack 200 at a desired place without having to install a plurality of battery modules 100 one by one, and installs and maintains the work because the work is completed. Very convenient.
- the battery pack 200 is provided with a plurality of battery modules 100 to be spaced apart from each other.
- one battery pack 200 is manufactured by combining ten battery modules 100 symmetrically from side to side.
- this is just one example. That is, the number of battery modules 100 applied to the battery pack 200 may be changed as many as shown.
- the battery module 100 applied to the present embodiment is an independent module in which independent liquid cooling, auxiliary cooling as required, and a heating structure are integrated. That is, all of the battery modules 100 may be individually cooled, auxiliary cooled, and heated.
- temperature management of the battery cells 110 mounted in the plurality of battery modules 100 may be possible, thereby leading to optimal energy efficiency for the battery cells 110.
- the battery pack 200 is provided with a battery pack temperature detector 201 (see FIG. 14) that detects a temperature of the battery pack 200.
- the temperature information detected by the battery pack temperature sensor 201 may be transmitted to the device controller 260.
- the temperature of the entire battery pack 200 may be sensed through the battery pack temperature sensor 201, or as shown in FIG. 16, the temperature sensor 128 (see FIG. 16) respectively attached to the heat pipes 121 and 122. Individual temperatures may be sensed by this. The latter case may be desirable for accurate control.
- the blower fan 210 blows air to the battery pack 200.
- the battery module 100 includes a cooling unit 160, by allowing air to be blown to the cooling unit 160 to smoothly perform a cooling operation through the cooling unit 160.
- blower fans 210 are provided with blowing lines 211 and 212 for blowing air to the cooling units 160 of the battery module 100.
- the fan motor 213 is connected to the blower fan 210.
- the blower fan 210 may be applied as an inverter fan.
- the radiator 220 is provided at one side of the battery pack 200.
- the fan 221 is provided around the radiator 220.
- the radiator 220 is connected to the heating line 230 and the auxiliary cooling line 250 through which the coolant flows. Both the heating line 230 and the auxiliary cooling line 250 may be connected to the battery modules 100, and may heat or cool the battery modules 100 independently of the action of the heat pipes 121 and 122.
- the heater 240 is provided on the heating line 230 to heat the cooling water flowing along the heating line 230.
- the heater 240 heats the cooling water only to a predetermined temperature while operating according to a detection signal of the temperature sensor 241 in front of the heater 240. Its control is the device controller 260 (see FIG. 14). That is, when the temperature sensor 241 detects the temperature of the coolant flowing along the heating line 230 and transmits the detected value to the device controller 260, the device controller 260 may heat the heater 240 under a predetermined temperature and time condition. By operating so that the cooling water is heated by the heater 240 to the battery module 100, thereby enabling the battery cell 110 to be heated.
- the pump 232 and the receiver tank 233 are provided on the heating line 230.
- the receiver tank 233 is a tank in which the coolant whose temperature is lowered via the battery modules 100 is stored, and the pump 232 sends the coolant in the receiver tank 233 back to the heater 240.
- a valve 236 is provided in the branch line 235 between the receiver tank 233 and the heating line 230.
- the cooling units 160 of the battery module 100 may be cooled by the operation of the blower fan 210, but if the cooling amount is insufficient, the auxiliary cooling may be performed.
- the cooling water may be supplied to the battery modules 100 through the auxiliary cooling line 250 that individually connects the radiator 220 and the battery module 100.
- a plurality of three-way valves 251 may be provided to control the amount of cold water.
- the three-way valve 252 is also provided at the intersection of the heating line 230 and the auxiliary cooling line 250, and is controlled by the device controller 260.
- the device controller 260 controls the operations of the blower fan 210 and the heater 240. In addition, the device controller 260 controls the operation of the three-way valve 251 connected to the auxiliary cooling line 250.
- the device controller 260 controls to adjust the temperature of the battery cell 110 based on the amount of rotation of the module pump P provided in the battery module 100, while the battery pack temperature is controlled.
- the amount of air supply air of the blower fan 210 is controlled based on the information from the sensing unit 201.
- the module pump P is a configuration of the liquid cooling unit 162 and may be separately provided for each battery module 100.
- the device controller 260 performing this role may include a central processing unit 261 (CPU), a memory 262 (MEMORY), and a support circuit 263 (SUPPORT CIRCUIT).
- CPU central processing unit
- MEMORY memory 262
- SUPPORT CIRCUIT SUPPORT CIRCUIT
- the central processing unit 261 controls to adjust the temperature of the battery cell 110 based on the rotation amount of the module pump P provided in the battery module 100, and from the battery pack temperature sensing unit 201. It may be one of various computer processors that can be industrially applied to control the air supply amount of the blower fan 210 based on the information.
- the memory 262 is connected to the central processing unit 261.
- the memory 262 may be installed locally or remotely as a computer readable recording medium, and may be readily available, such as, for example, random access memory (RAM), ROM, floppy disk, hard disk, or any digital storage form. It may be at least one memory.
- the support circuit 263, SUPPORT CIRCUIT, is coupled with the central processing unit 261 to support typical operation of the processor.
- Such support circuits 263 may include caches, power supplies, clock circuits, input / output circuits, subsystems, and the like.
- the device controller 260 controls to adjust the temperature of the battery cell 110 based on the rotation amount of the module pump P provided in the battery module 100, while the battery pack temperature detection unit 201 The amount of air supply air of the blower fan 210 is controlled based on the information from At this time, the device controller 260 controls to adjust the temperature of the battery cell 110 based on the rotation amount of the module pump (P) provided in the battery module 100, while from the battery pack temperature sensor 201
- a series of processes for controlling the air supply air volume of the blower fan 210 based on the information may be stored in the memory 262. Typically software routines may be stored in memory 262. Software routines may also be stored or executed by other central processing units (not shown).
- the energy storage device described with reference to FIGS. 1 and 14 may be implemented by applying a new concept battery module 100 which has not been disclosed previously.
- the battery module 100 applied to the present exemplary embodiment may include a cell unit 101 including a plurality of battery cells 110 and a cooling unit 160 disposed at one side of the cell unit 101.
- the battery module 100 is an assembly type together with a heat transfer connector (171), a control printed circuit board (173), and an electric bottom cover (175). Can be made into a product.
- the cooling unit 160 is disposed at one side of the cell unit 101 to cool the cell unit 101, resulting in the battery cell 110. Are allowed to cool to an appropriate temperature. That is, by cooling the heat pipes 121 and 122 through a thermal connection with the heat pipes 121 and 122, the battery cells 110 that are abnormally heated may be cooled. In other words, when a high voltage is provided to the device by combining the 3.6 volt battery cells 110, the battery cells 110 generate a lot of heat, and the heat pipes 121 and 122 are thermally connected to the battery cells 110. ), The battery cells 110 may be cooled to an appropriate temperature. Therefore, the heat pipes 121 and 122 serve to cool the battery cells 110 substantially.
- the battery cells 110 may take a cooled state.
- the battery cells 110 may play an auxiliary role of heating the battery cells 110 to a required temperature.
- the heat pipes 121 and 122 serve to cool or heat the battery cells 110.
- the cooling block 161 has a fin structure so that the contact area with air can be increased. As illustrated in FIG. 5, a plurality of through holes 161a are formed in the cooling block 161. Air or cooling water may flow through the through hole 161a.
- First and second pipe connections 161b and 161c are formed at the center of the cooling block 161.
- the first and second pipe connecting portions 161b and 161c form a place where the cooling water supply portion 162c and the cooling water discharge portion 162d forming the cooling unit 162 are connected.
- the cooling unit 162 cools the heat pipes 121 and 122 for temperature management of the battery cell 110, and consequently, serves to cool the battery cell 110.
- the cooling unit 162 may be coupled to the cooling block 161.
- air cooling may be considered, air cooling may be caused by dry-out due to the limitation of the heat capacity of the heat pipes 121 and 122, and thus, the volume of the cooling unit 160 may increase. There may be. Therefore, in this embodiment, the cooling unit 162 is applied to the liquid cooling unit 162 where cooling is performed by circulation of the liquid.
- the liquid cooling unit 162 includes a housing 162a through which coolant flows, an impeller 162b accommodated in the housing 162a, and a module pump P as briefly shown in FIGS. 6 and 7. 1, a coolant supply unit 162c (see FIG. 3) for supplying coolant based on the operation of the module pump P, and a coolant discharge unit 162d (see FIG. 3) through which coolant is discharged.
- a coolant supply unit 162c for supplying coolant based on the operation of the module pump P
- a coolant discharge unit 162d see FIG. 3 through which coolant is discharged.
- the detailed structure of the liquid type cooling unit 162 will be referred to the prior art registered and filed by the applicant, and will be omitted here.
- a heat transfer connector 171 is disposed between the cell unit 101 and the cooling unit 160, and serves to transfer heat from the cell unit 101 side to the cooling unit 160. .
- An insulating groove 171a in which the insulating portion 125 on the cell unit 101 side is disposed is formed on the rear surface of the heat transfer connector 171.
- the insulating groove 171a may be processed on the rear surface of the heat transfer connector 171 by the number of the insulating portions 125.
- a plurality of notch grooves 171b are formed on the sidewall of the heat transfer connector 171 so that the contact area with air can be increased.
- control printed circuit board 173 is connected to the cell unit 101 on the opposite side of the heat transfer connector 171 with the cell unit 101 therebetween, and the temperature of the battery cell 110, Detect and control current and voltage
- the control printed circuit board 173 is provided with a plurality of pipe through holes 173a through which the heat pipes 121 and 122 on the cell unit 101 side pass.
- a current hall sensor 173b is provided at one side of the control printed circuit board 173.
- the electric bottom cover 175 is a bottom structure that protects the control printed circuit board 173.
- the electric bottom cover 175 is provided with an anode terminal 175a and a cathode terminal 175b.
- a plurality of electric connection bosses 175c communicating with the pipe through holes 173a of the control printed circuit board 173 are formed to protrude.
- the electric connection bosses 175c may protrude from the bottom portion 175d in the electric bottom cover 175 to be connected to the heat pipes 121 and 122.
- the temperature of the heat pipes 121 and 122 may be sensed by the temperature sensor 128 (see FIG. 16) provided in the heat pipes 121 and 122.
- the cell unit 101 is provided by arranging a plurality of battery cells 110 in a unit of a bundle.
- a unit casing 103 is provided outside the cell unit 101 to protect the cell unit 101.
- the battery cells 110 constituting the cell unit 101 are arranged in a horizontal or vertical direction and electrically connected to each other. That is, the battery cells 110 are electrically connected to each other due to the heat pipes 121 and 122.
- it may be electrically and thermally bonded to the anode of the battery cell 110 and the heat pipes 121 and 122 on the side, as shown by reference numeral P1, and the battery cell ( It may be electrically and thermally bonded to the cathode of the 110 and the heat pipes 121 and 122 of the side, whereby the plurality of battery cells 110 may be electrically connected to each other. That is, the battery cells 110 arranged around the heat pipes 121 and 122 are connected in parallel, but are connected in series with neighboring battery cells 110.
- the battery cells 110 may be stacked vertically. In this case, not only the center portion where heat is concentrated may be eliminated, but the temperature of the battery cells 110 may be reduced with little energy. There is an advantage that can be managed uniformly.
- the cell unit 101 includes heat pipes 121 and 122 for cooling or heating the battery cell 110 for temperature management of the battery cell 110, particularly for cooling or heating the battery cell 110.
- a heat pipe is provided.
- temperature management means that the battery cell 110 is maintained at a temperature such that optimal energy efficiency can be achieved.
- the plurality of heat pipes 121 and 122 are equally spaced from each other.
- FIGS. 10 to 13 Two neighboring first and second heat pipes 121 and 122 will be described as an example.
- the description is divided into the first and second heat pipes 121 and 122, and their structure and role are the same.
- the battery cells 110 are connected in a form surrounded by a center line centering on the first and second heat pipes 121 and 122, and the battery cells 110 are connected in parallel. In series with the neighboring battery cells 110.
- the first and second heat pipes 121 and 122 form a center line between the battery cells 110.
- the side of the battery cell 110 and the first and second heat pipes 121 and 122 are electrically and thermally connected. That is, it may be electrically and thermally bonded to the anode of the battery cell 110 and the heat pipes 121 and 122 of the side as shown by reference numeral P1, and the cathode and the side of the battery cell 110 as shown by the reference numeral P2.
- the heat pipes 121 and 122 may be electrically and thermally bonded to each other, and thus, the plurality of battery cells 110 may be electrically connected to each other.
- the heat of cooling from the first and second heat pipes 121 and 122 may be thermally transferred to the battery cell 110, thereby causing the battery cell 110 to become hot.
- the temperature of can be managed in an appropriate state.
- the insulating part 125 may be made of a high cooling and insulating material, and may be coupled to one ends of the first and second heat pipes 121 and 122 in the form of a cap.
- the cell unit 101 applied to the battery module 100 of the present embodiment includes first and second battery holders 131 and 132, an anode connector 140, and a third
- the battery holder 133 may include a cathode connector 150 and a cathode connector 150.
- a plurality of first battery holders 131 are coupled to be spaced apart from each other along the length direction of the first heat pipe 121, and the second battery holders 132 are spaced apart from each other along the length direction of the second heat pipe 122. To be combined. On the contrary, the third battery holder 133 is laminated to the second battery holder 132 to support the battery cell 110.
- the first to third battery holders 131 to 133 constituting the cell unit 101 are different in structure only in their combined positions. That is, all of the first to third battery holders 131 to 133 form a square shape, and an insertion hole 134 is formed at the center thereof to be coupled to the first and second heat pipes 121 and 122.
- four battery cells 110 are arranged in one layer of the first to third battery holders 131 to 133, and the first and second heat pipes 121 and 122 at the center thereof are disposed at the corresponding positions. It can be electrically and thermally coupled.
- the protrusion 135a is detachably assembled to a wall surface on which the first battery holder 131 and the second battery holder 132 abut, and a wall surface on which the second battery holder 132 and the third battery holder 133 abut. And a projection groove 135b is provided. A plurality of protrusions 135a and protrusion grooves 135b are provided.
- the protrusion 135a is formed at one side of the first to third battery holders 131 to 133 and the protrusion groove 135b is formed at the other side corresponding thereto, the first battery holder 131 and the second battery holder ( The 132 may be coupled while abutting laterally, and the second battery holder 132 and the third battery holder 133 may be coupled while being stacked.
- the anode connector 140 has one side connected to the first heat pipe 121 at the top of the first battery holder 131 and the other side coupled to the top of the second battery holder 132 so that the battery cell 110 Is directly and electrically connected to the cathode of the cathode. Therefore, the anode connector 140 may be made of copper or silver having high conductivity.
- the anode connector 140 includes a pipe coupling portion 141 coupled to the first heat pipe 121, a cell anode coupling plate 143 coupled to an upper portion of the second battery holder 132, and a pipe coupling. It may include a bent connection portion 146 connecting the portion 141 and the cell anode coupling plate 143.
- the cell anode coupling plate 143 formed of a plate-like body is exposed downward through the through hole 132a formed in the second battery holder 132 to be electrically and thermally connected to the anode of the battery cell 110.
- a plurality of anode direct downward projections 142 directly connected to are provided. Since four through-holes 132a are provided in the second battery holder 132 at an equiangular interval, the cell anode joining plate 143 also corresponds to the cell anode joining plate 143 at a position corresponding thereto.
- the protrusion 142 may be provided.
- An anode side rib hole 144 into which the protruding rib 132b of the second battery holder 132 is fitted is formed in the cell anode coupling plate 143.
- the protruding rib 132b of the second battery holder 132 is an anode side rib hole of the cell anode joining plate 143. Since it passes through 144 to form an exposed state, another neighboring anode connector 140 may be installed. That is, the anode connector 140 is connected while being arranged in a zigzag direction as shown in FIG. 9, such a connection may be possible.
- An anode side arc protrusion 145 is formed in the cell anode coupling plate 143 in the radially outer side of the anode side rib hole 144.
- the anode side arc protrusions 145 may also be arranged at four equal intervals.
- the scope of the present invention is not limited to the numerical values thereof.
- the cathode connector 150 is coupled to the lower portion of the third battery holder 133 so as to be electrically and thermally connected to an anode of the battery cell 110.
- the cathode connector 150 is formed in the cell cathode coupling plate 151 coupled to the lower portion of the third battery holder 133 and the through hole formed in the cell cathode coupling plate 151 but formed in the third battery holder 133. And a plurality of cathode direct connection upward protrusions 152 exposed upward through 133a and electrically and thermally directly connected to a cathode of the battery cell 110.
- the cell cathode coupling plate 151 of the cathode connector 150 is provided with a plurality of cathode side rib holes 153 and a plurality of cathode side arc protrusions 154.
- the protruding rib 133b of the third battery holder 133 is fitted into the cathode side rib hole 153.
- the anode and the cathode of the battery cell 110 are connected to the heat pipes 121 and 122, thereby minimizing thermal resistance.
- thermal resistance may be minimized.
- the series and parallel connection of the battery cells 110 may be connected to the heat pipes 121 and 122, and as a result, current is generated while the conductor flows.
- each of the heat pipes 121 and 122 may be sensed to monitor the current of the battery cell 110.
- the temperature is sensed in a region where heat is concentrated in the center of the array of battery cells 110, but a temperature sensor (not shown) may be installed and monitored at all necessary positions.
- the heated battery cells 110 are cooled or, in some cases, the battery cells 110 are heated. It is sufficient to make it possible to uniformly manage the temperature of the battery cells 110, and further may implement a parallel or series connection structure for a plurality of battery cells (110).
- the present embodiment having the structure and operation as described above, it is possible to uniformly manage the temperature of the battery cells 110 in a compact and efficient manner, thereby extending the life of the battery cells 110 and its energy efficiency Can be maximized.
- the present invention can be used in various industrial fields, such as electric vehicles, in which batteries are used in large quantities, such as electric vehicles.
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Abstract
배터리 모듈 및 그를 구비하는 에너지 저장장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 수평 또는 수직 방향으로 배열되어 전기적으로 연결되는 다수의 배터리 셀(battery cell)에 대한 온도관리를 위해 배터리 셀을 냉각 또는 가열하는 히트 파이프(heat pipe)를 구비하는 셀 유닛; 및 냉각 블록과, 냉각 블록에 결합되고 배터리 셀의 온도관리를 위해 배터리 셀을 냉각하는 냉각 유닛을 구비하며, 셀 유닛의 일측에 배치되는 냉각부를 포함한다.
Description
본 발명은, 배터리 모듈 및 그를 구비하는 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 콤팩트하면서도 효율적인 방법으로 배터리 셀들의 온도를 균일하게 관리할 수 있으며, 이로 인해 배터리 셀의 수명을 연장시키고 그 에너지 효율을 극대화시킬 수 있는 배터리 모듈 및 그를 구비하는 에너지 저장장치에 관한 것이다.
최근들어 휴대폰을 비롯하여 노트북이나 전자기기 등에 배터리 모듈이 널리 적용된다. 근래에 제작되어 출시되는 배터리 모듈은 다수의 배터리 셀(battery cell)을 조합해서 하나의 모듈(module) 형태로 만들어진다.
이와 같은 배터리 모듈은 비단 전자기기 외에도 자동차의 동력원으로 사용되기도 한다. 배터리 모듈이 탑재된 자동차를 소위, 전기자동차라 부르다.
한편, 전기자동차 등에 적용될 수 있는 배터리 모듈은 휴대폰 충전용과 달리 사이즈가 매우 클 뿐만 아니라 내장되는 배터리 셀의 개수 역시 무수히 많은데, 배터리 셀들의 수명이 짧거나 그 에너지 효율이 약한 경우에는 적용이 곤란하다.
따라서 근래에는 배터리 모듈에 탑재되는 배터리 셀들의 수명을 연장시키면서도 배터리 셀들의 에너지 효율을 극대화시키기 위한 기술개발이 진행되고 있는 실정이다.
배터리 모듈에 적용되는 배터리 셀들의 수명을 연장시키면서 배터리 셀들의 에너지 효율을 극대화시키기 위해서는 무엇보다도 배터리 셀들의 온도를 균일하게 관리해야 할 필요가 있다. 즉 가열과 냉각 방식을 통해 다수의 배터리 셀들에 대한 온도를 균일하게 관리해야 한다.
만약, 배터리 셀들의 온도가 균일하게 관리될 경우, 배터리 셀의 수명을 연장할 수 있음은 물론 모든 배터리 셀들이 완전 충전상태가 될 수 있도록 할 뿐만 아니라 배터리 셀들에 저장된 에너지를 완벽하게 활용할 수 있도록 하여 전력밀도를 향상시킬 수 있다. 따라서 전기자동차에 적용될 경우에는 전기자동차의 주행거리가 연장될 수 있다. 특히, 외부 온도가 낮은 경우, 배터리 셀들을 가열하면 빠른 충전과 빠른 운전이 가능한 이점도 있다.
이처럼 배터리 셀들의 수명을 연장시키면서 배터리 셀들의 에너지 효율을 극대화시키기 위해서는 무엇보다도 배터리 셀의 온도관리가 중요한 것으로 알려지고 있는데, 현재까지 개발되거나 개발 예정에 있는 배터리 모듈은 내장되는 배터리 셀의 온도관리 구조가 실질적으로 많이 취약해서 배터리 셀의 수명이 짧을 뿐만 아니라 배터리 셀의 에너지 효율이 낮다는 점을 고려해볼 때, 이를 해결하기 위한 신개념의 배터리 모듈에 대한 기술개발이 필요한 실정이다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 콤팩트하면서도 효율적인 방법으로 배터리 셀들의 온도를 균일하게 관리할 수 있으며, 이로 인해 배터리 셀의 수명을 연장시키고 그 에너지 효율을 극대화시킬 수 있는 배터리 모듈 및 그를 구비하는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 콤팩트하면서도 효율적인 방법으로 배터리 셀들의 온도를 균일하게 관리할 수 있으며, 이로 인해 배터리 셀의 수명을 연장시키고 그 에너지 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 시스템 구성도이다.
도 2는 배터리 모듈의 사시도이다.
도 3은 도 2의 A 영역의 확대도이다.
도 4는 도 2에서 냉각수 공급부와 냉각수 배출부를 제거한 상태의 도면이다.
도 5는 도 4의 B 영역의 확대도이다.
도 6은 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 7은 도 6의 배면 사시도이다.
도 8은 셀 유닛의 사시도이다.
도 9는 도 8의 상부 확대도이다.
도 10은 도 8에서 제1 및 제2 히트 파이프 영역의 확대도이다.
도 11은 도 10의 요부 확대도이다.
도 12는 도 11의 분해 사시도이다.
도 13은 도 12의 배면 사시도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 제어블록도이다.
도 15 및 도 16은 각각 배터리 셀의 전기적 및 열적 연결 구조도이다.
도 17은 배터리 셀의 전기적 회로 다이어그램이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 수평 또는 수직 방향으로 배열되어 전기적으로 연결되는 다수의 배터리 셀(battery cell)에 대한 온도관리를 위해 상기 배터리 셀을 냉각 또는 가열하는 히트 파이프(heat pipe)를 구비하는 셀 유닛; 및 냉각 블록과, 상기 냉각 블록에 결합되고 상기 배터리 셀의 온도관리를 위해 상기 배터리 셀을 냉각하는 냉각 유닛을 구비하며, 상기 셀 유닛의 일측에 배치되는 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
상기 셀 유닛은, 이웃된 한 쌍의 제1 및 제2 히트 파이프에 삽입되면서 결합되는 삽입통공을 각각 구비하되 상기 제1 및 제2 히트 파이프의 길이방향을 따라 상호 이격되게 다수 개 배치되어 상기 배터리 셀들을 지지하는 다수의 제1 및 제2 배터리 홀더; 일측은 상기 제1 배터리 홀더의 상부에서 상기 제1 히트 파이프와 연결되고 타측은 상기 제2 배터리 홀더의 상부에 결합되어 상기 배터리 셀의 캐소드(cathode)와 전기적 및 열적으로 직결되는 어노드 커넥터(anode connector); 상기 제2 배터리 홀더에 적층 결합되는 다수의 제3 배터리 홀더; 및 상기 제3 배터리 홀더의 하부에 결합되어 상기 배터리 셀의 어노드(anode)와 전기적 및 열적으로 직결되는 캐소드 커넥터(cathode connector)를 포함할 수 있다.
상기 제1 배터리 홀더와 상기 제2 배터리 홀더가 맞닿는 벽면, 그리고 상기 제2 배터리 홀더와 상기 제3 배터리 홀더가 맞닿는 벽면에는 상호간 착탈 가능하게 조립되는 돌기와 돌기홈이 마련될 수 있다.
상기 어노드 커넥터는, 상기 제1 히트 파이프에 결합되는 파이프 결합부; 상기 제2 배터리 홀더의 상부에 결합되되 상기 제2 배터리 홀더에 형성되는 관통구를 통해 하방으로 노출되어 상기 배터리 셀의 어노드(anode)와 전기적 및 열적으로 직결되는 다수의 어노드 직결용 하향 돌출부를 구비하는 셀 어노드 결합 플레이트; 및 상기 파이프 결합부와 상기 셀 어노드 결합 플레이트를 연결하는 절곡형 연결부를 포함할 수 있다.
상기 셀 어노드 결합 플레이트에는 상기 제2 배터리 홀더의 돌출리브가 끼워지는 어노드측 리브 홀이 형성될 수 있으며, 상기 어노드측 리브 홀의 반경방향 외측에는 어노드측 아크 돌출부가 형성될 수 있다.
상기 캐소드 커넥터는, 상기 제3 배터리 홀더의 하부에 결합되는 셀 캐소드 결합 플레이트; 상기 셀 캐소드 결합 플레이트에 형성되되 상기 제3 배터리 홀더에 형성되는 관통구를 통해 상방으로 노출되어 상기 배터리 셀의 캐소드(cathode)와 전기적 및 열적으로 직결되는 다수의 캐소드 직결용 상향 돌출부; 상기 셀 캐소드 결합 플레이트에 형성되되 상기 제3 배터리 홀더의 돌출리브가 끼워지는 캐소드측 리브 홀; 및 상기 캐소드측 리브 홀의 반경방향 외측에 형성되는 캐소드측 아크 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 히트 파이프는 상기 배터리 셀들 사이의 센터 라인(center line)을 형성할 수 있으며, 상기 배터리 셀의 측면과 상기 히트 파이프는 열과 전기적으로 직접 연결될 수 있다.
상기 히트 파이프의 일단부에는 상기 냉각부와의 전기적 절연을 위한 절연부가 마련될 수 있다.
상기 셀 유닛을 보호하는 유닛 케이싱; 및 상기 셀 유닛과 상기 냉각부 사이에 배치되며, 상기 셀 유닛 측의 열을 상기 냉각부로 전달하는 히트 트랜스퍼 커넥터(heat transfer connector)를 더 포함할 수 있다.
상기 셀 유닛을 사이에 두고 상기 히트 트랜스퍼 커넥터의 반대편에서 상기 셀 유닛에 연결되되 상기 배터리 셀의 온도, 전류, 전압을 감지하고 컨트롤하는 컨트롤 인쇄회로기판(Printed Circuit Board); 및 상기 컨트롤 인쇄회로기판을 보호하되 어노드 터미널(anode terminal)과 캐소드 터미널(cathode terminal)을 구비하는 일렉트릭 바텀 커버(electric bottom cover)를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각 유닛은, 액체의 순환에 의해 냉각이 이루어지는 액체 냉각 유닛일 수 있다.
상기 액체형 냉각 유닛은, 내부에서 냉각수가 유동하는 하우징; 상기 하우징에 수용되어 회전되는 임펠러; 모듈 펌프; 상기 모듈 펌프의 동작에 기초하여 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부; 및 상기 냉각수가 배출되는 냉각수 배출부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 다수의 배터리 모듈에 의해 형성되는 배터리 팩(battery pack); 상기 배터리 팩의 일측에 배치되며, 상기 배터리 팩으로 공기를 송풍하는 블로워 팬; 상기 배터리 팩의 일측에 마련되는 라디에이터; 상기 라디에이터와 상기 배터리 모듈을 개별적으로 연결하는 가열라인에 마련되는 히터; 및 상기 블로워 팬과 상기 히터의 동작을 컨트롤하는 장치 컨트롤러를 포함하며, 상기 배터리 모듈은, 수평 또는 수직 방향으로 배열되어 전기적으로 연결되는 다수의 배터리 셀(battery cell)에 대한 온도관리를 위해 상기 배터리 셀을 가열하는 히트 파이프(heat pipe)를 구비하는 셀 유닛; 및 냉각 블록과, 상기 냉각 블록에 결합되고 상기 배터리 셀의 온도관리를 위해 상기 배터리 셀을 냉각하는 냉각 유닛을 구비하며, 상기 셀 유닛의 일측에 배치되는 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치가 제공될 수 있다.
상기 셀 유닛은, 이웃된 한 쌍의 제1 및 제2 히트 파이프에 삽입되면서 결합되는 삽입통공을 각각 구비하되 상기 제1 및 제2 히트 파이프의 길이방향을 따라 상호 이격되게 다수 개 배치되어 상기 배터리 셀들을 지지하는 다수의 제1 및 제2 배터리 홀더; 일측은 상기 제1 배터리 홀더의 상부에서 상기 제1 히트 파이프와 연결되고 타측은 상기 제2 배터리 홀더의 상부에 결합되어 상기 배터리 셀의 어노드(anode)와 전기적 및 열적으로 직결되는 어노드 커넥터(anode connector); 상기 제2 배터리 홀더에 적층 결합되는 다수의 제3 배터리 홀더; 및 상기 제3 배터리 홀더의 하부에 결합되어 상기 배터리 셀의 캐소드(cathode)와 전기적 및 열적으로 직결되는 캐소드 커넥터(cathode connector)를 포함할 수 있다.
상기 장치 컨트롤러는, 상기 배터리 모듈에 마련되는 모듈 펌프의 회전량에 기초하여 상기 배터리 셀의 온도를 조절하도록 컨트롤할 수 있다.
상기 배터리 팩의 온도를 감지하는 배터리 팩 온도 감지부를 더 포함할 수 있으며, 상기 장치 컨트롤러는 상기 배터리 팩 온도 감지부로부터의 정보에 기초하여 상기 블로워 팬의 급기풍량을 컨트롤할 수 있다.
상기 라디에이터와 상기 배터리 모듈을 개별적으로 연결하는 보조 냉각라인을 더 포함할 수 있으며, 상기 보조 냉각라인과 상기 배터리 모듈에는 3방향 밸브가 마련될 수 있으며, 상기 가열라인 상에는 상기 배터리 모듈들을 경유한 냉각수가 저장되는 리시버 탱크와, 상기 리시버 탱크 내의 냉각수를 상기 히터로 보내는 펌프가 더 마련될 수 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 시스템 구성도이고, 도 2는 배터리 모듈의 사시도이며, 도 3은 도 2의 A 영역의 확대도이고, 도 4는 도 2에서 냉각수 공급부와 냉각수 배출부를 제거한 상태의 도면이며, 도 5는 도 4의 B 영역의 확대도이고, 도 6은 배터리 모듈의 분해 사시도이며, 도 7은 도 6의 배면 사시도이고, 도 8은 셀 유닛의 사시도이며, 도 9는 도 8의 상부 확대도이고, 도 10은 도 8에서 제1 및 제2 히트 파이프 영역의 확대도이며, 도 11은 도 10의 요부 확대도이고, 도 12는 도 11의 분해 사시도이며, 도 13은 도 12의 배면 사시도이고, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 제어블록도이며, 도 15 및 도 16은 각각 배터리 셀의 전기적 및 열적 연결 구조도이고, 도 17은 배터리 셀의 전기적 회로 다이어그램이다.
이들 도면을 참조하되 우선 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 에너지 저장장치는 콤팩트하면서도 효율적인 방법으로 배터리 셀(110, battery cell)들의 온도를 균일하게 관리할 수 있으며, 이로 인해 배터리 셀(110)의 수명을 연장시키고 그 에너지 효율을 극대화시킬 수 있도록 한 것으로서, 배터리 팩(200, battery pack)과, 배터리 팩(200)의 일측에 배치되며, 배터리 팩(200)의 냉각을 위해 배터리 팩(200)으로 공기를 송풍하는 블로워 팬(210)과, 배터리 팩(200)의 일측에 마련되는 라디에이터(220)와, 라디에이터(220)와 배터리 모듈(100)을 개별적으로 연결하는 가열라인(230)에 마련되는 히터(240)와, 블로워 팬(210)과 히터(240)의 동작을 컨트롤하는 장치 컨트롤러(260, 도 14 참조)를 포함할 수 있다.
참고로, 도 1에 도시된 본 실시예에 따른 에너지 저장장치는 예컨대, 전기자동차의 동력원으로 사용될 수 있다. 즉 휘발유나 경유 대신에 도 1에 도시된 에너지 저장장치가 전기자동차의 동력원이 될 수 있다.
물론, 이러한 사항에 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 에너지 저장장치가 반드시 전기자동차에만 적용되어야 하는 것은 아니다. 즉 본 실시예에 따른 에너지 저장장치는 전자기기 외에도 산업 전반에 걸쳐 다양한 장치와 시스템에 동력원으로 두루 적용될 수 있을 것이다.
한편, 자세히 후술하겠지만 본 실시예에 따른 에너지 저장장치에 적용되는 배터리 셀(110)들은 종전과 달리 그 온도가 균일하게 관리될 수 있다.
따라서 배터리 셀(110)들의 수명이 연장될 수 있음은 물론 배터리 셀(110)들의 에너지 효율을 극대화시킬 수 있다. 뿐만 아니라 외부 온도가 낮은 경우, 배터리 셀(110)들을 가열하면 빠른 충전과 빠른 운전이 가능하기 때문에 산업 전반에 걸쳐 다양한 장치와 시스템에 동력원으로 두루 적용될 수 있다. 배터리 셀(110)들의 냉각 및 가열은 배터리 셀(110)들과 전기적 및 열적으로 연결되는 히트 파이프(121,122)가 담당할 수 있다.
도 1의 구조와 작용을 살펴보면, 우선 배터리 팩(200, battery pack)은 다수의 배터리 모듈(100)에 의해 조립되는 어셈블리(assembly) 제품이다.
도 1과 같은 시스템이 구현되면 사용자가 다수의 배터리 모듈(100)들을 일일이 설치할 필요 없이 원하는 장소에 배터리 팩(200)을 설치하고, 주변 라인들과 접속시키면 작업이 완료되기 때문에 설치 및 유지보수가 매우 편리하다.
이러한 배터리 팩(200)에는 상호간 이격되게 다수의 배터리 모듈(100)이 마련된다. 본 실시예의 경우, 10개의 배터리 모듈(100)을 좌우로 대칭되게 조합해서 하나의 배터리 팩(200)을 제조하고 있다. 하지만, 이는 하나의 예에 불과하다. 즉 배터리 팩(200)에 적용되는 배터리 모듈(100)의 개수는 도시된 것을 벗어나 얼마든지 변경될 수 있다.
배터리 모듈(100)의 상세 구조에 대해서는 도 2 내지 도 13을 참조하여 후술하도록 한다. 다만, 본 실시예에 적용되는 배터리 모듈(100)은 독립적인 액체 냉각과 필요에 따른 보조 냉각, 그리고 가열 구조가 통합된 독립모듈이다. 즉 배터리 모듈(100)들 모두가 개별적으로 액체 냉각, 보조 냉각, 그리고 가열될 수 있다.
따라서 다수의 배터리 모듈(100)들에 탑재되는 배터리 셀(110)의 온도관리가 가능해질 수 있으며, 이로 인해 배터리 셀(110)에 대한 최적의 에너지 효율을 이끌어낼 수 있다.
배터리 팩(200)에는 배터리 팩(200)의 온도를 감지하는 배터리 팩 온도 감지부(201, 도 14 참조)가 마련된다. 배터리 팩 온도 감지부(201)에서 감지된 온도 정보는 장치 컨트롤러(260)로 전송될 수 있다. 이때, 배터리 팩 온도 감지부(201)를 통해 배터리 팩(200) 전체의 온도가 감지될 수도 있고, 아니면 도 16처럼 히트 파이프(121,122)들에 각각 부속되는 온도센서(128, 도 16 참조)에 의해 개별적인 온도가 감지될 수도 있다. 정확한 제어를 위해서는 후자의 경우가 바람직할 수 있다.
블로워 팬(210)은 배터리 팩(200)으로 공기를 송풍하는 역할을 한다. 자세히 후술하겠지만 배터리 모듈(100)은 냉각부(160)를 포함하고 있는데, 냉각부(160)로 공기를 송풍함으로써 냉각부(160)를 통한 냉각작용이 원활하기 이루어지도록 한다. 이를 위해, 블로워 팬(210)에는 배터리 모듈(100)의 냉각부(160)들로 공기를 송풍하기 위한 송풍라인(211,212)이 마련된다. 블로워 팬(210)에는 팬 모터(213)가 연결된다. 블로워 팬(210)은 인버터 팬으로 적용될 수 있다.
라디에이터(220)는 배터리 팩(200)의 일측에 마련된다. 라디에이터(220)의 주변에는 팬(221)이 마련된다. 라디에이터(220)에는 냉각수가 유동되는 가열라인(230)과 보조 냉각라인(250)이 연결된다. 가열라인(230)과 보조 냉각라인(250)은 모두가 배터리 모듈(100)들과 연결될 수 있으며, 히트 파이프(121,122)들의 작용과는 별개로 배터리 모듈(100)들을 가열하거나 냉각시킬 수 있다.
가열라인(230) 상에는 가열라인(230)을 따라 흐르는 냉각수를 가열하는 히터(240)가 마련된다.
히터(240)는 그 전단의 온도센서(241)의 감지신호에 따라 동작되면서 미리 결정된 온도까지만 냉각수를 가열한다. 이의 컨트롤은 장치 컨트롤러(260, 도 14 참조)가 담당한다. 즉 온도센서(241)가 가열라인(230)을 따라 흐르는 냉각수의 온도를 감지하고 그 감지값을 장치 컨트롤러(260)로 전송하면 장치 컨트롤러(260)는 미리 결정된 온도 및 시간 조건 하에서 히터(240)가 동작되도록 컨트롤함으로써, 히터(240)에 의해 냉각수가 가열되어 배터리 모듈(100)들로 향하도록 함으로써, 배터리 셀(110)을 가열할 수 있게끔 한다.
가열라인(230) 상에는 펌프(232)와 리시버 탱크(233)가 갖춰진다. 리시버 탱크(233)는 배터리 모듈(100)들을 경유하여 온도가 내려간 냉각수가 저장되는 탱크이고, 펌프(232)는 리시버 탱크(233) 내의 냉각수를 히터(240)로 다시 보내는 역할을 한다. 리시버 탱크(233)와 가열라인(230) 사이의 분기라인(235)에는 밸브(236)가 마련된다.
한편, 앞서도 기술한 것처럼 블로워 팬(210)의 동작에 의해 배터리 모듈(100)의 냉각부(160)들이 냉각될 수 있으나 냉각량이 모자란 경우, 보조 냉각이 진행될 수 있다. 이때는 라디에이터(220)와 배터리 모듈(100)을 개별적으로 연결하는 보조 냉각라인(250)을 통해 냉각수가 배터리 모듈(100)들로 공급됨으로서 진행될 수 있다. 이러한 보조 냉각라인(250)과 배터리 모듈(100)에는 다수의 3방향 밸브(251)가 마련되어 냉수량 컨트롤에 사용될 수 있다. 3방향 밸브(252)는 가열라인(230)과 보조 냉각라인(250)의 교차점에도 마련되며, 장치 컨트롤러(260)에 의해 개폐 컨트롤된다.
한편, 장치 컨트롤러(260)는 블로워 팬(210)과 히터(240)의 동작을 컨트롤하는 역할을 한다. 뿐만 아니라 장치 컨트롤러(260)는 보조 냉각라인(250)에 연결되는 3방향 밸브(251)의 동작을 컨트롤한다.
상세하게 살펴보면, 본 실시예에서 장치 컨트롤러(260)는 배터리 모듈(100)에 마련되는 모듈 펌프(P)의 회전량에 기초하여 배터리 셀(110)의 온도를 조절하도록 컨트롤하는 한편, 배터리 팩 온도 감지부(201)로부터의 정보에 기초하여 블로워 팬(210)의 급기풍량을 컨트롤한다. 참고로, 모듈 펌프(P)는 액체형 냉각 유닛(162)의 한 구성으로서, 배터리 모듈(100)들마다 개별적으로 갖춰질 수 있다.
이러한 역할을 수행하는 장치 컨트롤러(260)는 도 14에 도시된 바와 같이, 중앙처리장치(261, CPU), 메모리(262, MEMORY), 그리고 서포트 회로(263, SUPPORT CIRCUIT)를 포함할 수 있다.
중앙처리장치(261)는 배터리 모듈(100)에 마련되는 모듈 펌프(P)의 회전량에 기초하여 배터리 셀(110)의 온도를 조절하도록 컨트롤하는 한편, 배터리 팩 온도 감지부(201)로부터의 정보에 기초하여 블로워 팬(210)의 급기풍량을 컨트롤하기 위해서 산업적으로 적용될 수 있는 다양한 컴퓨터 프로세서들 중 하나일 수 있다.
메모리(262, MEMORY)는 중앙처리장치(261)과 연결된다. 메모리(262)는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로서 로컬 또는 원격지에 설치될 수 있으며, 예를 들면 랜덤 액세스 메모리(RAM), ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 임의의 디지털 저장 형태와 같이 쉽게 이용가능한 적어도 하나 이상의 메모리일 수 있다.
서포트 회로(263, SUPPORT CIRCUIT)는 중앙처리장치(261)과 결합되어 프로세서의 전형적인 동작을 지원한다. 이러한 서포트 회로(263)은 캐시, 파워 서플라이, 클록 회로, 입/출력 회로, 서브시스템 등을 포함할 수 있다.
본 실시예에서 장치 컨트롤러(260)는 배터리 모듈(100)에 마련되는 모듈 펌프(P)의 회전량에 기초하여 배터리 셀(110)의 온도를 조절하도록 컨트롤하는 한편, 배터리 팩 온도 감지부(201)로부터의 정보에 기초하여 블로워 팬(210)의 급기풍량을 컨트롤한다. 이때, 장치 컨트롤러(260)가 배터리 모듈(100)에 마련되는 모듈 펌프(P)의 회전량에 기초하여 배터리 셀(110)의 온도를 조절하도록 컨트롤하는 한편, 배터리 팩 온도 감지부(201)로부터의 정보에 기초하여 블로워 팬(210)의 급기풍량을 컨트롤하는 일련의 프로세스 등은 메모리(262)에 저장될 수 있다. 전형적으로는 소프트웨어 루틴이 메모리(262)에 저장될 수 있다. 소프트웨어 루틴은 또한 다른 중앙처리장치(미도시)에 의해서 저장되거나 실행될 수 있다.
본 발명에 따른 프로세스는 소프트웨어 루틴에 의해 실행되는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 프로세스들 중 적어도 일부는 하드웨어에 의해 수행되는 것도 가능하다. 이처럼, 본 발명의 프로세스들은 컴퓨터 시스템 상에서 수행되는 소프트웨어로 구현되거나 또는 집적 회로와 같은 하드웨어로 구현되거나 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합에 의해서 구현될 수 있다.
한편, 도 1 및 도 14를 참조하여 설명한 에너지 저장장치의 경우, 종전에 개시된 바 없는 신개념의 배터리 모듈(100)이 적용됨으로써 구현될 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 13을 참조하여 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100)의 상세 구조를 살펴본다.
본 실시예에 적용되는 배터리 모듈(100)은 다수의 배터리 셀(110)을 구비하는 셀 유닛(101)과, 셀 유닛(101)의 일측에 배치되는 냉각부(160)를 포함할 수 있다.
뿐만 아니라 배터리 모듈(100)은 히트 트랜스퍼 커넥터(171, heat transfer connector), 컨트롤 인쇄회로기판(173, Printed Circuit Board), 그리고 일렉트릭 바텀 커버(175, electric bottom cover)와 더불어 어셈블리(assembly) 형태의 제품으로 제작될 수 있다.
셀 유닛(101)의 설명에 앞서 냉각부(160)에 대해 먼저 알아보면, 냉각부(160)는 셀 유닛(101)의 일측에 배치되어 셀 유닛(101)을 냉각시킴으로써 결과적으로 배터리 셀(110)들이 적정 온도로 냉각될 수 있도록 한다. 즉 히트 파이프(121,122)와의 열적 연결을 통해 히트 파이프(121,122)를 냉각시킴으로써, 비정상적으로 뜨거워진 배터리 셀(110)들을 냉각시킬 수 있다. 다시 말해, 예컨대 3.6볼트의 배터리 셀(110)들이 조합됨으로써 고전압이 장치로 제공될 경우, 배터리 셀(110)에는 많은 열이 발생되는데 이러한 배터리 셀(110)들과 열적으로 연결되는 히트 파이프(121,122)로 인해 배터리 셀(110)들이 적정한 온도로 냉각될 수 있다. 따라서 실질적으로 히트 파이프(121,122)는 배터리 셀(110)들을 냉각시키는 역할이 주된 역할이다. 하지만, 겨울철이나 극지방처럼 외기가 차가운 경우, 배터리 셀(110)들 자체가 냉각된 상태를 취할 수 있는데, 이때는 배터리 셀(110)들을 요구되는 온도로 가열하는 보조 역할을 담당할 수 있다. 결과적으로 히트 파이프(121,122)는 배터리 셀(110)들을 냉각 또는 가열시키는 역할을 한다.
이러한 냉각부(160)는 냉각 블록(161)과, 냉각 블록(161)에 결합되고 배터리 셀(110)의 온도관리를 위해 배터리 셀(110)을 냉각하는 냉각 유닛(162)을 구비한다.
냉각 블록(161)은 공기와의 접촉면적이 증대될 수 있도록 핀 구조를 갖는다. 이러한 냉각 블록(161)에는 도 5에 도시된 바와 같이, 다수의 관통홀(161a)이 형성된다. 관통홀(161a)을 통해 공기 혹은 냉각수가 유동될 수 있다.
냉각 블록(161)의 중앙에는 제1 및 제2 파이프 연결부(161b,161c)가 형성된다. 제1 및 제2 파이프 연결부(161b,161c)는 냉각 유닛(162)을 이루는 냉각수 공급부(162c) 및 냉각수 배출부(162d)와 접속되는 장소를 이룬다.
냉각 유닛(162)은 배터리 셀(110)의 온도관리를 위해 히트 파이프(121,122)를 냉각시켜 결과적으로 배터리 셀(110)을 냉각시키는 역할을 한다. 이러한 냉각 유닛(162)은 냉각 블록(161)에 결합될 수 있다.
참고로, 공기 냉각을 고려해볼 수도 있으나 히트 파이프(121,122)의 열용량의 한계로 인해 공기 냉각은 드라이 아웃(Dry-out)이 발생될 수 있고, 이로 인해 냉각부(160)의 부피가 커지는 단점이 있을 수 있다. 이에, 본 실시예에서는 냉각 유닛(162)을 액체의 순환에 의해 냉각이 이루어지는 액체 냉각 유닛(162)으로 적용하고 있는 것이다.
이러한 액체형 냉각 유닛(162)은 도 6 및 도 7에 간략하게 도시된 것처럼 내부에서 냉각수가 유동하는 하우징(162a)과, 하우징(162a)에 수용되어 회전되는 임펠러(162b)와, 모듈 펌프(P, 도 1 참조)와, 모듈 펌프(P)의 동작에 기초하여 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부(162c, 도 3 참조)와, 냉각수가 배출되는 냉각수 배출부(162d, 도 3 참조)를 포함할 수 있다. 액체형 냉각 유닛(162)의 세부 구조는 본 출원인에 의해 선출원되어 등록된 기술을 참조하도록 하고 여기서는 생략하기로 한다.
다음으로, 히트 트랜스퍼 커넥터(171, heat transfer connector)는 셀 유닛(101)과 냉각부(160) 사이에 배치되며, 셀 유닛(101) 측의 열을 냉각부(160)로 전달하는 역할을 한다.
히트 트랜스퍼 커넥터(171)의 배면에는 셀 유닛(101) 측의 절연부(125)가 배치되는 절연 그루브(171a)가 형성된다. 절연 그루브(171a)는 절연부(125)의 개수만큼 히트 트랜스퍼 커넥터(171)의 배면에 가공될 수 있다.
그리고 히트 트랜스퍼 커넥터(171)의 측벽에는 공기와의 접촉면적이 증대될 수 있도록 다수의 노치홈(171b)이 형성된다.
다음으로, 컨트롤 인쇄회로기판(173, Printed Circuit Board)은 셀 유닛(101)을 사이에 두고 히트 트랜스퍼 커넥터(171)의 반대편에서 셀 유닛(101)에 연결되며, 배터리 셀(110)의 온도, 전류, 전압을 감지하고 컨트롤한다.
이러한 컨트롤 인쇄회로기판(173)에는 셀 유닛(101) 측의 히트 파이프(121,122)들이 통과되는 다수의 파이프 통과구(173a)가 마련된다. 그리고 컨트롤 인쇄회로기판(173)의 일측에는 커런트 홀 센서(173b, current hall sensor)가 마련된다.
다음으로, 일렉트릭 바텀 커버(175, electric bottom cover)는 컨트롤 인쇄회로기판(173)을 보호하는 바닥 구조물이다. 일렉트릭 바텀 커버(175)에는 어노드 터미널(175a, anode terminal)과 캐소드 터미널(175b, cathode terminal)이 마련된다.
일렉트릭 바텀 커버(175) 내에는 컨트롤 인쇄회로기판(173)의 파이프 통과구(173a)들과 연통되는 다수의 일렉트릭 연결보스(175c)가 돌출 형성된다. 일렉트릭 연결보스(175c)들은 일렉트릭 바텀 커버(175) 내의 바닥부(175d)에서 돌출되게 마련되어 히트 파이프(121,122)들과 연결될 수 있다. 앞서도 잠시 언급한 것처럼 히트 파이프(121,122)들의 온도는 히트 파이프(121,122)들에 마련되는 온도센서(128, 도 16 참조)에 의해 센싱될 수 있다.
마지막으로, 셀 유닛(101)은 다수의 배터리 셀(110, battery cell)이 하나의 묶음 단위로 배치되어 마련된다. 셀 유닛(101)의 외측에는 유닛 케이싱(103)이 마련되어 셀 유닛(101)을 보호한다.
한편, 본 실시예에서 셀 유닛(101)을 이루는 배터리 셀(110)들은 수평 또는 수직 방향으로 배열되어 전기적으로 연결된다. 즉 히트 파이프(121,122)들로 인해 배터리 셀(110)들은 상호간 전기적으로 연결된다. 도 15 내지 도 17을 먼저 참조하면, 참조부호 P1처럼 배터리 셀(110)의 어노드(anode)와 측면의 히트 파이프(121,122)에 전기적 및 열적으로 접합될 수 있고, 참조부호 P2처럼 배터리 셀(110)의 캐소드(cathode)와 측면의 히트 파이프(121,122)에 전기적 및 열적으로 접합될 수 있으며, 이로 인해 다수의 배터리 셀(110)들은 상호간 전기적으로 연결될 수 있다. 즉 히트 파이프(121,122)들을 기준으로 그 둘레에 배치되는 배터리 셀(110)들은 병열로 접속되나 이웃된 배터리 셀(110)들과는 직렬로 접속된다.
이와 같은 구조로 인해 본 실시예의 경우, 배터리 셀(110)을 수직으로 적층할 수 있는데, 이 경우, 열이 집중되는 중앙부분을 해소할 수 있을 뿐만 아니라 적은 에너지로 배터리 셀(110)의 온도를 균일하게 관리할 수 있는 이점이 있다.
한편, 앞서도 반복한 것처럼 셀 유닛(101)에는 배터리 셀(110)에 대한 온도관리를 위해, 특히 배터리 셀(110)의 냉각 또는 가열을 위해 배터리 셀(110)을 냉각 또는 가열하는 히트 파이프(121,122, heat pipe)가 마련된다. 여기서, 온도관리의 의미는 배터리 셀(110)이 최적의 에너지 효율을 낼 수 있을 정도의 온도로 유지시키는 것을 의미한다.
도 8 및 도 9, 그리고 도 15 내지 도 17에 도시된 바와 같이, 히트 파이프(121,122)는 상호간 등간격을 가지고 다수 개 배치되는데, 이하에서는 설명의 편의를 위해 도 10 내지 도 13에 도시된 것처럼 이웃된 2개의 제1 및 제2 히트 파이프(121,122)를 예로 들어 설명한다. 편의를 위해 제1 및 제2 히트 파이프(121,122)로 나누어 설명할 뿐 이들의 구조와 역할은 동일하다.
본 실시예의 경우, 배터리 셀(110)들은 제1 및 제2 히트 파이프(121,122)를 축으로 하는 센터 라인(center line)을 기준으로 둘러싸인 형태로 연결되는데, 이러한 배터리 셀(110)들은 병열 연결되며, 이웃된 배터리 셀(110)들과는 직렬 연결된다.
다시 말해, 제1 및 제2 히트 파이프(121,122)는 배터리 셀(110)들 사이의 센터 라인(center line)을 형성한다. 이때, 배터리 셀(110)의 측면과 제1 및 제2 히트 파이프(121,122)는 전기적 및 열적 연결된다. 즉 참조부호 P1처럼 배터리 셀(110)의 어노드(anode)와 측면의 히트 파이프(121,122)에 전기적 및 열적으로 접합될 수 있고, 참조부호 P2처럼 배터리 셀(110)의 캐소드(cathode)와 측면의 히트 파이프(121,122)에 전기적 및 열적으로 접합될 수 있으며, 이로 인해 다수의 배터리 셀(110)들은 상호간 전기적으로 연결될 수 있다.
따라서 제1 및 제2 히트 파이프(121,122)가 냉각되면 제1 및 제2 히트 파이프(121,122)로부터의 냉각열이 배터리 셀(110)로 열적 전달될 수 있으며, 이로 인해 뜨거워진 배터리 셀(110)의 온도를 적절한 상태로 관리할 수 있다.
제1 및 제2 히트 파이프(121,122)의 일단부에는 냉각부(160)와의 전기적 절연을 위한 절연부(125)가 마련된다. 절연부(125)는 고냉각, 절연재료로 만들어질 수 있으며, 캡의 형태로 제1 및 제2 히트 파이프(121,122)의 일단부에 결합될 수 있다.
도 10 내지 도 13을 주로 참조하면, 본 실시예의 배터리 모듈(100)에 적용되는 셀 유닛(101)은 제1 및 제2 배터리 홀더(131,132), 어노드 커넥터(140, anode connector), 제3 배터리 홀더(133), 그리고 캐소드 커넥터(150, cathode connector)를 포함할 수 있다.
제1 배터리 홀더(131)는 제1 히트 파이프(121)의 길이방향을 따라 상호 이격되게 다수 개 결합되며, 제2 배터리 홀더(132)는 제2 히트 파이프(122)의 길이방향을 따라 상호 이격되게 다수 개 결합된다. 이에 반해, 제3 배터리 홀더(133)는 제2 배터리 홀더(132)에 적층 결합되어 배터리 셀(110)을 지지한다.
이때, 셀 유닛(101)을 이루는 제1 내지 제3 배터리 홀더(131~133)는 그 결합되는 위치만이 상이할 뿐 구조는 모두 동일하다. 즉 제1 내지 제3 배터리 홀더(131~133)는 모두가 정사각의 외형을 이루며, 그 중앙에는 제1 및 제2 히트 파이프(121,122)에 삽입되면서 결합되는 삽입통공(134)이 형성된다.
본 실시예의 경우, 제1 내지 제3 배터리 홀더(131~133)의 한 층에는 4개의 배터리 셀(110)이 배열되는데, 이들은 해당 위치에서 그 중앙의 제1 및 제2 히트 파이프(121,122)와 전기적 및 열적으로 결합될 수 있다.
그리고 제1 배터리 홀더(131)와 제2 배터리 홀더(132)가 맞닿는 벽면, 그리고 제2 배터리 홀더(132)와 제3 배터리 홀더(133)가 맞닿는 벽면에는 상호간 착탈 가능하게 조립되는 돌기(135a)와 돌기홈(135b)이 마련된다. 돌기(135a)와 돌기홈(135b)은 다수 개씩 마련된다.
이처럼 제1 내지 제3 배터리 홀더(131~133)의 일측에는 돌기(135a)가 형성되고 그에 대응되는 타측에는 돌기홈(135b)이 형성되기 때문에 제1 배터리 홀더(131)와 제2 배터리 홀더(132)는 측방향으로 맞닿으면서 결합될 수 있고, 제2 배터리 홀더(132)와 제3 배터리 홀더(133)는 적층되면서 결합될 수 있다.
어노드 커넥터(140, anode connector)는 일측이 제1 배터리 홀더(131)의 상부에서 제1 히트 파이프(121)와 연결되고 타측은 제2 배터리 홀더(132)의 상부에 결합되어 배터리 셀(110)의 캐소드(cathode)와 전기적 및 열적으로 직결된다. 따라서 어노드 커넥터(140)는 전도성이 높은 동이나 은으로 제작될 수 있다.
이러한 어노드 커넥터(140)는 제1 히트 파이프(121)에 결합되는 파이프 결합부(141)와, 제2 배터리 홀더(132)의 상부에 결합되는 셀 어노드 결합 플레이트(143)와, 파이프 결합부(141)와 셀 어노드 결합 플레이트(143)를 연결하는 절곡형 연결부(146)을 포함할 수 있다.
판상체로 형성되는 셀 어노드 결합 플레이트(143)에는 제2 배터리 홀더(132)에 형성되는 관통구(132a)를 통해 하방으로 노출되어 배터리 셀(110)의 어노드(anode)와 전기적 및 열적으로 직결되는 다수의 어노드 직결용 하향 돌출부(142)가 마련된다. 제2 배터리 홀더(132)에 등각도 간격으로 4개의 관통구(132a)가 마련되므로 셀 어노드 결합 플레이트(143)에도 그에 대응되는 위치에 셀 어노드 결합 플레이트(143)에 어노드 직결용 하향 돌출부(142)가 마련될 수 있다.
셀 어노드 결합 플레이트(143)에는 제2 배터리 홀더(132)의 돌출리브(132b)가 끼워지는 어노드측 리브 홀(144)가 형성된다. 셀 어노드 결합 플레이트(143)가 제2 배터리 홀더(132) 상에 결합될 때, 제2 배터리 홀더(132)의 돌출리브(132b)가 셀 어노드 결합 플레이트(143)의 어노드측 리브 홀(144)로 통과되어 노출되는 상태를 이루기 때문에 이웃된 다른 어노드 커넥터(140)를 설치할 수 있다. 즉 어노드 커넥터(140)는 도 9처럼 지그재그 방향으로 배치되면서 연결되는데, 이와 같은 연결이 가능해질 수 있다.
셀 어노드 결합 플레이트(143)에는 어노드측 리브 홀(144)의 반경방향 외측에 어노드측 아크 돌출부(145)가 형성된다. 어노드측 아크 돌출부(145) 역시, 등각도 간격을 가지고 4개가 배치될 수 있다. 물론, 이의 수치에 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.
캐소드 커넥터(150, cathode connector)는 제3 배터리 홀더(133)의 하부에 결합되어 배터리 셀(110)의 어노드(anode)와 전기적 및 열적으로 직결된다.
이러한 캐소드 커넥터(150)는 제3 배터리 홀더(133)의 하부에 결합되는 셀 캐소드 결합 플레이트(151)와, 셀 캐소드 결합 플레이트(151)에 형성되되 제3 배터리 홀더(133)에 형성되는 관통구(133a)를 통해 상방으로 노출되어 배터리 셀(110)의 캐소드(cathode)와 전기적 및 열적으로 직결되는 다수의 캐소드 직결용 상향 돌출부(152)를 포함한다.
전술한 어노드 커넥터(140)와 마찬가지로 캐소드 커넥터(150)의 셀 캐소드 결합 플레이트(151)에도 다수의 캐소드측 리브 홀(153)과 다수의 캐소드측 아크 돌출부(154)가 마련된다. 캐소드측 리브 홀(153)에는 제3 배터리 홀더(133)의 돌출리브(133b)가 끼워진다.
이와 같은 구조의 어노드 커넥터(140)와 캐소드 커넥터(150)로 인해 배터리 셀(110)의 어노드와 캐소드가 히트 파이프(121,122)와 연결되기 때문에 열저항을 최소화시킬 수 있다. 또한 배터리 셀(110)들이 별도의 절연보호비닐 없이 히트 파이프(121,122)에 직접 연결되기 때문에 열저항을 최소화시킬 수 있다.
뿐만 아니라 전술한 어노드 커넥터(140)와 캐소드 커넥터(150)의 구조로 인해 배터리 셀(110)의 직렬 및 병열 연결이 히트 파이프(121,122)로 연결될 수 있고, 이로 인해 전류가 도체를 흐르면서 발생되는 열도 냉각시킬 수 있는 이점이 있다. 즉 히트 파이프(121,122)의 상변환에 의해 배터리 셀(110) 및 도체에서 발생되는 열을 신속하게 냉각부(160)로 이송시켜 냉각할 수 있다.
특히, 히트 파이프(121,122)별로 온도를 감지할 경우, 즉 도 16처럼 히트 파이프(121,122)들에 온도센서(128)을 달아 히트 파이프(121,122)별로 온도를 감지할 경우, 모든 배터리 셀(110)의 균일한 온도관리가 가능해지며, 히트 파이프(121,122)별로 전압을 감지하여 배터리 셀(110)의 균일한 전력밀도 관리가 가능해진다.
또한 히트 파이프(121,122)별로 전류를 감지하여 배터리 셀(110)의 전류 감시도 가능해진다. 위에서는 설명을 생략하였으나 배터리 셀(110) 어레이(Array) 중앙에 열이 집중되는 부위에 온도를 감지하되 필요한 모든 위치에 온도센서(미도시)를 설치하여 감시할 수도 있다.
이상 설명한 것처럼 본 실시예의 경우, 히트 파이프(121,122)가 배터리 셀(110)들과 전기적 및 열적으로 연결되어 있기 때문에 뜨거워진 배터리 셀(110)을 냉각시키거나 경우에 따라 배터리 셀(110)을 가열시키기에 충분하여 배터리 셀(110)들의 온도를 균일하게 관리할 수 있는 이점이 있으며, 나아가 다수의 배터리 셀(110)들에 대한 병열 혹은 직렬의 연결구조를 구현할 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 구조와 작용을 갖는 본 실시예에 따르면, 콤팩트하면서도 효율적인 방법으로 배터리 셀(110)들의 온도를 균일하게 관리할 수 있으며, 이로 인해 배터리 셀(110)의 수명을 연장시키고 그 에너지 효율을 극대화시킬 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
본 발명은 전기자동차 분야를 비롯하여 전기자동차처럼 배터리가 다량으로 사용되는 다양한 산업분야에 이용될 수 있다.
Claims (17)
- 수평 또는 수직 방향으로 배열되어 전기적으로 연결되는 다수의 배터리 셀(battery cell)에 대한 온도관리를 위해 상기 배터리 셀을 냉각 또는 가열하는 히트 파이프(heat pipe)를 구비하는 셀 유닛; 및냉각 블록과, 상기 냉각 블록에 결합되고 상기 배터리 셀의 온도관리를 위해 상기 배터리 셀을 냉각하는 냉각 유닛을 구비하며, 상기 셀 유닛의 일측에 배치되는 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
- 제1항에 있어서,상기 셀 유닛은,이웃된 한 쌍의 제1 및 제2 히트 파이프에 삽입되면서 결합되는 삽입통공을 각각 구비하되 상기 제1 및 제2 히트 파이프의 길이방향을 따라 상호 이격되게 다수 개 배치되어 상기 배터리 셀들을 지지하는 다수의 제1 및 제2 배터리 홀더;일측은 상기 제1 배터리 홀더의 상부에서 상기 제1 히트 파이프와 연결되고 타측은 상기 제2 배터리 홀더의 상부에 결합되어 상기 배터리 셀의 캐소드(cathode)와 전기적 및 열적으로 직결되는 어노드 커넥터(anode connector);상기 제2 배터리 홀더에 적층 결합되는 다수의 제3 배터리 홀더; 및상기 제3 배터리 홀더의 하부에 결합되어 상기 배터리 셀의 어노드(anode)와 전기적 및 열적으로 직결되는 캐소드 커넥터(cathode connector)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
- 제2항에 있어서,상기 제1 배터리 홀더와 상기 제2 배터리 홀더가 맞닿는 벽면, 그리고 상기 제2 배터리 홀더와 상기 제3 배터리 홀더가 맞닿는 벽면에는 상호간 착탈 가능하게 조립되는 돌기와 돌기홈이 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
- 제2항에 있어서,상기 어노드 커넥터는,상기 제1 히트 파이프에 결합되는 파이프 결합부;상기 제2 배터리 홀더의 상부에 결합되되 상기 제2 배터리 홀더에 형성되는 관통구를 통해 하방으로 노출되어 상기 배터리 셀의 어노드(anode)와 전기적 및 열적으로 직결되는 다수의 어노드 직결용 하향 돌출부를 구비하는 셀 어노드 결합 플레이트; 및상기 파이프 결합부와 상기 셀 어노드 결합 플레이트를 연결하는 절곡형 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
- 제4항에 있어서,상기 셀 어노드 결합 플레이트에는 상기 제2 배터리 홀더의 돌출리브가 끼워지는 어노드측 리브 홀이 형성되며,상기 어노드측 리브 홀의 반경방향 외측에는 어노드측 아크 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
- 제2항에 있어서,상기 캐소드 커넥터는,상기 제3 배터리 홀더의 하부에 결합되는 셀 캐소드 결합 플레이트;상기 셀 캐소드 결합 플레이트에 형성되되 상기 제3 배터리 홀더에 형성되는 관통구를 통해 상방으로 노출되어 상기 배터리 셀의 캐소드(cathode)와 전기적 및 열적으로 직결되는 다수의 캐소드 직결용 상향 돌출부;상기 셀 캐소드 결합 플레이트에 형성되되 상기 제3 배터리 홀더의 돌출리브가 끼워지는 캐소드측 리브 홀; 및상기 캐소드측 리브 홀의 반경방향 외측에 형성되는 캐소드측 아크 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
- 제1항에 있어서,상기 히트 파이프는 상기 배터리 셀들 사이의 센터 라인(center line)을 형성하며,상기 배터리 셀의 측면과 상기 히트 파이프는 열과 전기적으로 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
- 제1항에 있어서,상기 히트 파이프의 일단부에는 상기 냉각부와의 전기적 절연을 위한 절연부가 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
- 제1항에 있어서,상기 셀 유닛을 보호하는 유닛 케이싱; 및상기 셀 유닛과 상기 냉각부 사이에 배치되며, 상기 셀 유닛 측의 열을 상기 냉각부로 전달하는 히트 트랜스퍼 커넥터(heat transfer connector)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
- 제9항에 있어서,상기 셀 유닛을 사이에 두고 상기 히트 트랜스퍼 커넥터의 반대편에서 상기 셀 유닛에 연결되되 상기 배터리 셀의 온도, 전류, 전압을 감지하고 컨트롤하는 컨트롤 인쇄회로기판(Printed Circuit Board); 및상기 컨트롤 인쇄회로기판을 보호하되 어노드 터미널(anode terminal)과 캐소드 터미널(cathode terminal)을 구비하는 일렉트릭 바텀 커버(electric bottom cover)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
- 제1항에 있어서,상기 냉각 유닛은,액체의 순환에 의해 냉각이 이루어지는 액체 냉각 유닛인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
- 제11항에 있어서,상기 액체형 냉각 유닛은,내부에서 냉각수가 유동하는 하우징;상기 하우징에 수용되어 회전되는 임펠러;모듈 펌프;상기 모듈 펌프의 동작에 기초하여 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부; 및상기 냉각수가 배출되는 냉각수 배출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
- 다수의 배터리 모듈에 의해 형성되는 배터리 팩(battery pack);상기 배터리 팩의 일측에 배치되며, 상기 배터리 팩으로 공기를 송풍하는 블로워 팬;상기 배터리 팩의 일측에 마련되는 라디에이터;상기 라디에이터와 상기 배터리 모듈을 개별적으로 연결하는 가열라인에 마련되는 히터; 및상기 블로워 팬과 상기 히터의 동작을 컨트롤하는 장치 컨트롤러를 포함하며,상기 배터리 모듈은,수평 또는 수직 방향으로 배열되어 전기적으로 연결되는 다수의 배터리 셀(battery cell)에 대한 온도관리를 위해 상기 배터리 셀을 가열하는 히트 파이프(heat pipe)를 구비하는 셀 유닛; 및냉각 블록과, 상기 냉각 블록에 결합되고 상기 배터리 셀의 온도관리를 위해 상기 배터리 셀을 냉각하는 냉각 유닛을 구비하며, 상기 셀 유닛의 일측에 배치되는 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
- 제13항에 있어서,상기 셀 유닛은,이웃된 한 쌍의 제1 및 제2 히트 파이프에 삽입되면서 결합되는 삽입통공을 각각 구비하되 상기 제1 및 제2 히트 파이프의 길이방향을 따라 상호 이격되게 다수 개 배치되어 상기 배터리 셀들을 지지하는 다수의 제1 및 제2 배터리 홀더;일측은 상기 제1 배터리 홀더의 상부에서 상기 제1 히트 파이프와 연결되고 타측은 상기 제2 배터리 홀더의 상부에 결합되어 상기 배터리 셀의 어노드(anode)와 전기적 및 열적으로 직결되는 어노드 커넥터(anode connector);상기 제2 배터리 홀더에 적층 결합되는 다수의 제3 배터리 홀더; 및상기 제3 배터리 홀더의 하부에 결합되어 상기 배터리 셀의 캐소드(cathode)와 전기적 및 열적으로 직결되는 캐소드 커넥터(cathode connector)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
- 제13항에 있어서,상기 장치 컨트롤러는,상기 배터리 모듈에 마련되는 모듈 펌프의 회전량에 기초하여 상기 배터리 셀의 온도를 조절하도록 컨트롤하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
- 제13항에 있어서,상기 배터리 팩의 온도를 감지하는 배터리 팩 온도 감지부를 더 포함하며,상기 장치 컨트롤러는 상기 배터리 팩 온도 감지부로부터의 정보에 기초하여 상기 블로워 팬의 급기풍량을 컨트롤하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
- 제13항에 있어서,상기 라디에이터와 상기 배터리 모듈을 개별적으로 연결하는 보조 냉각라인을 더 포함하며,상기 보조 냉각라인과 상기 배터리 모듈에는 3방향 밸브가 마련되며,상기 가열라인 상에는 상기 배터리 모듈들을 경유한 냉각수가 저장되는 리시버 탱크와, 상기 리시버 탱크 내의 냉각수를 상기 히터로 보내는 펌프가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
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